VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINES FORMKÖRPERS MIT GASGEFÜLLTEN POREN AUS EINEM METALLISCHEN WERKSTOFF MITTELS WARMKAMMER-DRUCKGIESSEN

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers mit gasgefüllten Poren aus einem metallischen Werkstoff mittels Warmkammer-Druckgießen mit den folgenden Schritten: Bereitstellen einer Druckgussform mit einer Formkavität, die eine Negativform eines herzustellenden Formkörpers aufweist; Befüllen der Formkavität mit einer Schmelze eines metallischen Werkstoffs, wobei die Formkavität über einen Anschnitt, welcher zwischen der Formkavität und einer Gießkammer angeordnet ist, bis zum Formfüllende befüllt wird; Erstarren des metallischen Werkstoffs in der Formkavität; und Entformen des Formkörpers aus der Druckgussform; wobei eine Ausbildung einer Porenstruktur mit gasgefüllten Poren in dem Formkörper gefördert wird, indem das Herstellen des Formkörpers in der Formkavität frei von einer Nachdruckphase oder mit einer verkürzten Nachdruckphase ausgeführt wird, die kürzer als eine Erstarrungszeit der Schmelze in dem Anschnitt ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers mit gasgefüllten Poren aus einem metallischen Werkstoff mittels Warmkammer-Druckgießen.

Hintergrund

[0002] Druckgussverfahren dienen zur Herstellung von Formkörpern mittels einer Druckgießmaschine. Es sind das Kaltkammer- und das Warmkammer-Verfahren bekannt. Beim Kaltkammer-Verfahren sind die Druckgießmaschine und der Ofen zum Bereitstellen der Schmelze des metallischen Werkstoffs stets getrennt angeordnet. Die erforderliche Schmelzmenge wird manuell oder automatisch per Dosierofen oder Schöpfgerät in die Formkammer der Druckgussform dosiert. Beim Warmkammer-Verfahren wird die Schmelze eine warme Druckgussform mit Formkavität gepresst. Unmittelbar in der Schmelze, die in einem Tiegel warm gehalten wird, ist eine Konstruktion vorgesehen, die den Ofen mit der Druckgussform verbindet und häufig Gießbehälter genannt wird. Üblicherweise bilden Druckgussmaschine und Warmhalteofen eine Einheit.

[0003] Zum Kaltkammer-Verfahren offenbart das Dokument DE 10 2013 103 672 A1 ein Verfahren zum Druckgießen von mit Gas gefüllten Poren aufweisenden Formkörpern aus einer Druckgusslegierung. Die flüssige Druckgusslegierung mit zusammen mit dem Gas in eine Formkavität eingepresst, die eine Negativform des Formkörpers aufweist. Das Gas und die Druckgusslegierung werden ohne vorherige Vermischung zusammen in einem Gießzylinder eingeschlossen. Ein Gießkolben wird mit einer so hohen Geschwindigkeit in dem Gießzylinder vorgeschoben, dass sich das Gas und die flüssige Druckgusslegierung bis spätestens beim Eintritt in die Formkavität vermischen. In einer Ausführungsform soll der Gießkolben mit einer derart gewählten Geschwindigkeit in dem Gießzylinder vorgeschoben werden, dass sich eine turbulente Strömung aus Gas und flüssiger Druckgusslegierung in dem Gießzylinder ausbildet.

Zusammenfassung

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers mit gasgefüllten Poren aus einem metallischen Werkstoff mittels Warmkammer-Druckgießen anzugeben, welches es ermöglicht, Formkörper mit geänderter Porenstruktur herzustellen.

[0005] Zur Lösung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers mit gasgefüllten Poren aus einem metallischen Werkstoff mittels Warmkammer-Druckgießen nach dem unabhängigen Anspruch 1 geschaffen. Alternative Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.

[0006] Nach einem Aspekt ist ein Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers mit gasgefüllten Poren aus einem metallischen Werkstoff mittels Warmkammer-Druckgießen geschaffen, bei dem eine Druckgussform mit einer Formkavität bereitgestellt wird, die eine Negativform eines herzustellenden Formkörpers aufweist. Die Formkavität wird mit einer Schmelze eines metallischen Werkstoffs befüllt, wobei die Formkavität über einen Anschnitt, welcher zwischen der Formkavität und einer Gießkammer angeordnet ist, bis zum Formfüllende befüllt wird. Nach dem Erstarren des metallischen Werkstoffs in der Formkavität wird der Formkörper aus der Druckgussform entformt. Beim Herstellen des Formkörpers wird eine Ausbildung einer Porenstruktur mit gasgefüllten Poren in dem Formkörper gefördert und unterstützt, indem das Herstellen des Formkörpers in der Formkavität frei von einer Nachdruckphase oder mit einer verkürzten Nachdruckphase, die kürzer als eine Erstarrungszeit der Schmelze in dem Anschnitt ist.

[0007] Auf diese Weise ist ein Formkörper mit geschlossener Porenstruktur hergestellt, bei der die Poren gasgefüllt sind, insbesondere in Form von Lufteinschlüssen. Es kann ein geschlossenporiger Metallschaum hergestellt werden, aus dem der Formkörper dann gebildet ist.

[0008] Das Weglassen der beim Warmkammer-Druckgießen üblichen Nachdruckphase oder deren Verkürzung unterstützt und fördert gezielt das Ausbilden der gasgefüllten Poren, derart, dass sich diese vergrößern. Solche Lufteinschlüsse in kleinerer Form bilden beim Stand der Technik Gießfehler, die es dort möglichst zu vermeiden gilt. Das hier vorgeschlagene Verfahren verstärkt gezielt solche Gießfehler, um die Porenstruktur auszubilden. Da die Nachdruckphase entfällt oder deutlich verkürzt ist, wird die Kompression der Lufteinschlüsse gemindert oder unterbleibt, wodurch das Ausbilden der Porenstruktur gefördert wird. Wenn nach dem Befüllen der Formkavität die Nachdruckphase angewendet wird, so kann diese so verkürzt werden, dass sie vor dem Erstarren der Schmelze im Anschnitt endet. Hierdurch können sich die kurzzeitig stark komprimierten Gasporen wieder teilweise entspannen und einen Teil der eingegossenen Schmelze wieder in den Anschnitt zurück in die Gießkammer drücken.

[0009] Während der verkürzten Nachdruckphase kann der zuvor angewendete Gießdruck auf im Wesentlichen gleicher Höhe verbleiben wie in einem unmittelbar vorangehenden zeitlichen Abschnitt des Befüllens. Der Gießdruck wird jedoch nur kurzzeitig aufrechterhalten, um ihn dann vollständig zurückzunehmen.

[0010] Die verkürzte Nachdruckphase kann sich über einen Zeitraum von etwa 0,01s bis etwa 0.6s erstrecken.

[0011] Die verkürzte Nachdruckphase kann sich über einen Zeitraum von etwa 0,1s bis etwa 0.3s erstrecken.

[0012] Die gasgefüllten Poren der Porenstruktur können mit im Wesentlichen gleicher Porengröße hergestellt werden. Eine Mehrheit der Poren (>50%) kann eine Porengröße von etwa 0,0mm bis etwa 5mm aufweisen

[0013] Die gasgefüllten Poren der Porenstruktur können einer im Wesentlichen gleichmäßigen Porenverteilung entsprechend hergestellt werden.

[0014] Als metallischer Werkstoff kann eine Zinklegierung, eine Magnesiumlegierung oder eine Aluminiumlegierung verwendet werden. Zum Beispiel kann die Zinklegierung ZnAl₄Cu₁ verarbeitet werden.

[0015] Die Schmelze beim Befüllen kann in einer ersten Phase im Wesentlichen frei von turbulenten Strömungen und in einer zweiten Phase, die sich an die erste Phase anschließt, unter teilweiser Ausbildung von turbulenten Strömungen in der Formkavität eingebracht werden.

[0016] Die Porenstruktur kann ein Körpervolumen des Formkörpers im Wesentlichen vollständig erfassend hergestellt werden.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

[0017] Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1a bis 1c

eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Warmkammer-Druckgießen;

Fig. 2

eine schematische grafische Darstellung zu den Kenngrößen Geschwindig-keit und Druck in Abhängigkeit vom Weg beziehungsweise der Zeit (Druck-Geschwindigkeitskurven einer Gießkolbens) für das Warmkammer-Druck-gießen und

Fig. 3

eine vergleichende Darstellung von mittels Warmkammer-Druckgießen her-gestellten Formkörpern im Querschnitt.

[0018] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Warmkammer-Druckgießen. Eine Gießkammer 1 ist in einem Schmelzofen 2 angeordnet. Eine Druckgussform 3 weist eine Formkavität 4 auf, die mit einer Negativform eines herzustellenden Formkörpers 5 gebildet ist. Über Füllbohrungen 6 läuft die Schmelze des metallischen Werkstoffs, zum Beispiel eine Zinkschmelze, in die Formkavität 5. Hierzu wird ein Gießkolben 7, üblicherweise hydraulisch, nach unten bewegt, um die Schmelze aus der Gießkammer 1 in die Formkavität 4 zu verdrängen. Hierbei fließt die Schmelze über Steigleitungen 8 und Düsen 9 in die Druckgussform 3. In der Druckgussform 3 fließt die Schmelze über Verteiler, Kanäle und Anschnitt in die Formkavität 4.

[0019] Fig. 1a zeigt die Anordnung vor dem Beginn des Gießvorgangs, wobei die Druckgussform 3 geöffnet ist. Gemäß Fig. 2 wird die Druckgussform 3 dann zum Ausbilden der Formkavität 4 geschlossen, und die Schmelze wird in der Formkavität 4 eingebracht. Nachdem Erstarren kann der Formkörper 5 gemäß Fig. 1c entformt und ausgeworfen werden.

[0020] Fig. 2 zeigt eine grafische Darstellung für Druck- und Geschwindigkeitskurven des Gießkolbens.

[0021] Nachfolgend wird das Füllen der Formkavität mit der metallischen Schmelze im Einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert.

[0022] Die Füllung der Formkavität 4 unterteilt sich beim Warmkammer-Druckgussverfahren in der Regel in drei Phasen. In einer ersten Phase wird die Schmelze langsam über Verteiler und Kanäle bis kurz vor den Anschnitt gefördert, um Verwirbelungen zu verringern (Dauer zum Beispiel 0,5 bis 1,0 s). In einer zweiten Phase wird die Formkavität 4 so schnell wie möglich gefüllt, um eine komplette Formfüllung mit möglichst wenig Kaltfluss zu erreichen (zum Beispiel 5 bis 50 ms). Ist eine komplette Formfüllung erreicht, kann der metallische Werkstoff nicht mehr fließen, und der Gießkolben 7 bleibt abrupt stehen. Dies wird als Formfüllende (FFE) bezeichnet. Gießgase wie Luft, ausgasende Schmelze und / oder verdampfendes Trennmittel werden durch den hohen, spezifischen Gießdruck zusammengepresst und erfahren dadurch eine enorme Volumenverringerung. Der spezifische Gießdruck liegt zum Beispiel bei 250 bis 450 bar und wird durch Untersetzung des hydraulischen Systemdrucks von zum Beispiel 100 bis 150 bar erreicht.

[0023] Nach dem FFE beginnt die dritte Phase, die Nachdruckphase. Dazu verbleibt der Gießkolben 7 für zum Beispiel 0,3 bis 1,0 s unter vollem Gießdruck stehen. Diese Zeit nennt sich Nachdruckzeit (tN). Die Schmelze erfährt durch die Erstarrung eine Dichteänderung, zum Beispiel von 6,3 auf 6,7 g/cm³ im Fall einer Zinkschmelze, zum Beispiel ZnAl₄Cu₁. Damit gehen Volumendefizite, Schrumpfungsporosität und / oder Lunkerbildung einher. Durch den Nachdruck des Gießkolbens 7 wird bis zu einem gewissen Grad Schmelze nachgespeist und die entstehende Schrumpfungsporosität verringert. Sobald der Anschnitt des Formkörpers 5 komplett erstarrt ist, ist keine Nachspeisung mehr möglich. Die restliche Schrumpfungsporosität, die vor allem in dickwandigen, zuletzt erstarrenden Bereichen stattfindet, kann nicht kompensiert werden.

[0024] Durch die zwei beschriebenen Faktoren "Gießgase" und "Schrumpfungsporosität" erreichen konventionelle Druckgusswerkstücke nie die Normdichte von 6,7 g/cm³. Gut gefüllte Zinkdruckgusswerkstücke haben typischerweise eine Dichte von 6,4 bis 6,6 g/cm³. Eine Porosität von 1,5 bis 4,5 % ist damit prozessbedingt normal bzw. unvermeidbar (vgl. auch obere Darstellung in Fig. 3).

[0025] Um bei einem Druckgussteil gezielt eine Porosität mit Porenstruktur zu erreichen, ist vorgesehen, die Nachdruckphasen wegzulassen oder deren Dauer zu verkürzen. Es werden die im System befindlichen Gießgase ausgenutzt, um die Porenbildung zu fördern. Es findet eine gezielte Herbeiführung und Verstärkung des Gießfehlers "Porosität" durch ungenügende Verdichtung der Gießgase statt. Vorteile sind unter anderem, dass keine Fremdstoffe oder zusätzliche Technik / Steuerung benötigt werden und weder Taktzeit noch die Recyclingfähigkeit beeinträchtigt werden. Das Konzept basiert darauf, die prozessbedingte, unvermeidliche, geringe Porosität gezielt zu verstärken, so dass die große Anzahl von Poren eine Schaumstruktur bildet und eine signifikante Materialersparnis erreicht wird.

[0026] Beim bekannten ("optimalen") Druckguss im Warmkammer-Verfahren wirkt die Nachdruckphase mit vollem Maschinensystemdruck mindestens so lange, bis der Anschnitt komplett erstarrt ist (vgl. Druckkurve I in Fig. 2). Beim hier vorgeschlagenen Verfahren wird der Formkörper erzeugt, indem die Nachdruckzeit bewusst (zu) kurz eingestellt wird, so dass die Nachdruckphase gezielt abgebrochen wird, sobald kurzzeitig der i.d.R. volle Maschinensystemdruck angelegen hat. Der Zeitpunkt zum Abbruch der Nachdruckphase kann je nach Gießteil leicht variieren, liegt i.d.R. aber immer kurz vor oder kurz nach Erreichen des FFE (vgl. Druckkurve II in Fig. 2).

[0027] Die so erreichte Schaumstruktur (Porenstruktur) des Formkörpers weist in der Regel relativ gleichmäßige Größe und Verteilung von Poren auf. Die hohe Fließgeschwindigkeit der zweiten Phase erzeugt eine turbulente Strömung. In Folge dessen sind die Gießgase fein verteilt und gleichmäßig mit der Schmelze vermischt. Durch die fehlende oder fast fehlende Nachdruckzeit werden die Poren nicht oder kaum oder nur kurzzeitig komprimiert. Der Innendruck der Poren liegt sehr viel näher am atmosphärischen Druck als am spezifischen Gießdruck, weshalb die Poren ein verhältnismäßig großes Volumen einnehmen und dadurch eine Schaumstruktur bilden. Die absolute Luftmenge (gemessen in Gramm) in einem konventionellen Druckgussteil und in einem Druckgussteil, welches nach dem hier beschriebenen Verfahrens hergestellt ist, ist identisch. Lediglich der Innendruck der Poren bzw. ihr Kompressionsgrad und damit ihr Volumen sind unterschiedlich. Fig. 3 zeigt zum Vergleichen mittels Warmkammer-Druckgießen hergestellten Formkörper im Querschnitt (oben: herkömmliches Verfahren; unten: Verfahren ohne / mit verkürzter Nachdruckphase).

[0028] Der kurze Druckimpuls des vollen Maschinensystemdrucks sorgt dafür, dass die Schmelze, zum Beispiel eine Zinkschmelze, einmal stark gegen die formgebende Kontur gepresst wird. Hierdurch werden eine gute Abbildungsgenauigkeit sowie Füllung dünner Bereiche erreicht.

[0029] Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie der Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.

Ansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers mit gasgefüllten Poren aus einem metallischen Werkstoff mittels Warmkammer-Druckgießen, mit den folgenden Schritten:

- Bereitstellen einer Druckgussform mit einer Formkavität, die eine Negativform eines herzustellenden Formkörpers aufweist;

- Befüllen der Formkavität mit einer Schmelze eines metallischen Werkstoffs, wobei die Formkavität über einen Anschnitt, welcher zwischen der Formkavität und einer Gießkammer angeordnet ist, bis zum Formfüllende befüllt wird;

- Erstarren des metallischen Werkstoffs in der Formkavität; und

- Entformen des Formkörpers aus der Druckgussform;

wobei eine Ausbildung einer Porenstruktur mit gasgefüllten Poren in dem Formkörper gefördert wird, indem das Herstellen des Formkörpers in der Formkavität frei von einer Nachdruckphase oder mit einer verkürzten Nachdruckphase ausgeführt wird, die kürzer als eine Erstarrungszeit der Schmelze in dem Anschnitt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verkürzte Nachdruckphase sich über einen Zeitraum von etwa 0,01s bis etwa 0.6s erstreckt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die verkürzte Nachdruckphase sich über einen Zeitraum von etwa 0,1s bis etwa 0.3s erstreckt.

4. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gasgefüllten Poren der Porenstruktur mit im Wesentlichen gleicher Porengröße hergestellt werden.

5. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießkammer vor Beginn des Befüllens der Formkavität im Wesentli-chen vollständig mit der Schmelze befüllt wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als metallischer Werkstoff eine Zinklegierung, eine Magnesiumlegierung oder eine Aluminiumlegierung verwendet wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze beim Befüllen in einer ersten Phase im Wesentlichen frei von turbulenten Strömungen und in einer zweiten Phase, die sich an die erste Phase anschließt, unter teilweiser Ausbildung von turbulenten Strömungen in der Formkavität eingebracht wird.

8. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstruktur ein Körpervolumen des Formkörpers im Wesentlichen vollständig erfassend hergestellt wird.

Zeichnung